城郊农田植被生长特征对城市化响应

**章 绪论 全球农田植被的覆盖面积约占总植被覆盖面积的 11%，其是保障全球粮食安全的基本单元。粮食安全是联合国可持续发展目标（ SDGs）中的高度优先领域 [1]，可持续地保障人类粮食供给需求是未来社会面临的重大挑战之一 [2]。1961～2000年，全球人口呈指数型增长，极大促进了人类对食物的需求。尽管依托科技进步、政府政策、机构干预和商业投资等方式，目前粮食生产现状暂时能够满足人类的需求，基本实现粮食安全的保障 [3，4]，但从 2010年到 2050年，由于受人口激增及饮食结构转变等影响，全球对粮食的需求预计至少增加 71％[5]（图 1-1）。此外，有许多研究成果表明未来二氧化碳（ CO2）排放及气候变化的总体趋势仍将不变，而由此引发的臭氧（ O3）浓度升高、极端气温现象及降水频率增加等衍生的环境问题极大可能会造成作物生产力的降低 [6]。在这种供跌需涨的情形下，未来全球粮食是否安全仍有待探讨。作物生产力是农田植被（又称农作物）的生长状况在作物生长期内累积效应的表征。作物生产力对气候变化的响应是目前学界研究的热点与难点 [6]。因此研究农田植被生长状况对气候变化的响应是理解全球变暖情景下未来粮食安全变化趋势的基础。 图 1-1 粮食安全面临的挑战（源自：The science of food security[5]） 气候变化和城市化作为 21世纪两大重要的全球性环境现象，两者具有非常紧密的联系 [7]。首先，城市地区密集的人口和经济活动、自然地面不透水化以及温室气体的大量排放均改变了城市及其城郊区域的水循环、大气组分以及能量平衡，因而城市化是区域以及全球尺度气候变暖的驱动力之一 [8，9]。此外，城市化是气候变化的“先兆” [10]。这是由于城市热岛效应 [11]与化石燃料燃烧产生的过量的 CO2排放[12]使城市区域相较于农村地区通常具有更高的气温及 CO2浓度，故城市系统比其他系统早几十年经历了全球变化，因而城市化又被称为全球变化研究中理想的“自然实验室” [10]。 城市及其景观格局的变化对局地微气候及 CO2浓度的影响并不仅仅停留在城市内部，其仍会通过城乡受热不均所驱动的局地环流（热岛环流等），改变城市及城郊的物质与能量流动及地-气辐射传输等方式进而影响城市周围的环境 [13，14]，从而诱发城郊净初级生产力 [15]、生物多样性 [16]、空气质量 [13]和微气候 [17]等发生改变。而在同一区域，城乡梯度上的农田植被通常位于相近的光周期和气候背景下 [18]，故通过总结城乡梯度上农田植被生长特征的变化规律，以空间变化代替时间变化的方法探究城郊农田植被静态及动态生长状况对城市化的响应规律，可为预估未来农业生产力对气候变化的响应提供重要现实依据。 此外，保障城郊农田植被的健康状况及提高城郊作物生产力是发展都市农业的核心问题。在未来，都市农业的发展可为都市居民提供几乎所有的基本食物需求，减少农产品运输过程中的食物浪费和碳排放 [19]，并为相关行业提供服务，例如生物防治、授粉、气候调节等，每年约为全球带来 330亿美元的收入 [20]。故发展都市农业是解决饥饿和全球气候变化问题的关键环节之一 [20]，尤其是在发展中国家[19，21-25]。因此，厘清城郊的农田植被生长健康状况及农田植被生产力对城市化的多重响应规律是发展都市农业、保障未来粮食安全的前提条件之一。 目前，在全球范围内，亚洲与非洲的城市化进程发展速率较快。而在亚洲中，中国的城市化发展程度相对较高 [26]。预计至 2050 年，全球城市人口将占总人口的 70%，未来全球约 50%的城市扩张将发生于发展中国家，大部分位于亚洲与非洲，尤其是中国 [9，24]。在气候变化及其伴随的大气 CO2浓度、气温升高的背景下，实现全球粮食安全是一项重大挑战，特别是对于中国这个仅拥有世界 7％的土地，却需要为世界 22％人口提供粮食的国家而言尤为重要。此外，中国地域辽阔，内陆地区有 32个省会级别的大城市分别位于不同气候背景下的九个农业区中，是研究不同气候背景下农田植被生长特征对城市化响应规律的理想研究区域。 综上所述，认识中国不同气候背景下重要都市城郊农田植被生长特征对城市化的响应规律，调查城市化导致的环境因素的变化与城郊农田植被生长特征变化的相关关系，量化城郊景观格局变化对农田植被生长特征的影响，对预测未来作物产量、优化田间管理布局及制定都市农业发展政策等方面均具有重要的理论及现实意义[25]。 **节 城市化对植被生长的影响 植被是陆地生态系统的重要组成部分，对于地球上的生命至关重要 [27]。首先，植被是地球天然的“降温器”。一方面，植被可以吸收大气中的 CO2[28，29]，进而有助于减轻温室效应。另一方面，植被能够通过遮阴及蒸腾作用等方式缓解城市热岛效应[30-32]。其次，植被也是大自然的“保护器”，是涵养水源、防治水土流失的重要防护措施之一 [33，34]。此外，植被同样是自然界的“净化器”，它可以通过吸收 O3、PM10、NO2、SO2和 CO等污染气体，净化空气质量 [35，36]，同样也能够减轻噪声污染[37，38]。 城市化对植被的影响从成因上大体可粗略分为直接影响与间接影响。其中直接影响可归纳为由不透水面扩张造成的植被数量的降低，间接影响可概括为由城市化导致城市植被所处的微环境改变造成的植被生长状态的变化。目前，研究植被对城市化响应规律的实验方法主要分为两大类：一类为观测研究方法，主要通过直接观察城市及乡村植被生长的差异来探测植被对城市化的响应规律；另一类为遥感监测研究方法，主要基于多时相植被遥感影像，对比不同不透水面比率下像元的植被指数差异及其时空演化规律来探究城市化对植被的影响。 在大众的认知中，由于城市常存在空气污染、城市热岛、土壤压实、空气湿度降低等环境问题，因此城市化会抑制植被的生长 [39，40]，即城市化对城市植被的间接影响为消极影响。但一些基于观测的研究结果表明，城市化对城市植被具有显著的促进作用，如城市化对城市植被的叶光合速率[41]、树木胸径[42，43]、碳储量[44]、生物量累积状况 [44-49]均表现出显著的促进作用。但该方法由于存在观测周期较长、观测点数量较少及观测空间范围有限等问题，其在大尺度空间范围的研究中难以推广。而在早期，基于遥感数据探测城市化对植被影响的相关研究中，研究者们由于未考虑混合像元的影响，通常研究的是城市化综合效益对植被绿度指数（NDVI和 EVI）[50-52]或生态指数（ NPP和 GPP）[15，53-57]造成的影响。且这些研究多量化出城市化对植被呈显著的负面作用 [15，54-56]。Zhao等[58]基于遥感监测的植被指数（ EVI），通过构建了一个剥离城市化对植被直接影响与间接影响的量化框架，首次基于遥感数据证明了在中国 32个主要城市中，城市化的间接影响对植被系统具有显著的促进作用。随着这一理论的发展与完善，大量研究基于遥感影像监测到了城市化在不同时空尺度上对植被产生了显著的积极影响 [59-61]。 但是，这些研究的研究对象大都集中在城市的自然植被上，较少研究涵盖或单独讨论城市化对城郊农田植被的影响。由于受人为管理（如耕作制度及灌溉等）的影响，农田植被与自然植被的生长特征具有显著性差异。此外，农田植被对气温升高、降水变化和二氧化碳浓度提升同样较为敏感 [10，62，63]。而城郊的农田植被同样遭遇着城市化发展伴随的二氧化碳浓度升高、气温升高等微环境改变。这与全球变暖中人为强迫因素引起的环境变化特征是相近的。因此，研究区域尺度上城郊植被生长特征对城市化的响应规律有助于理解和预测未来农田植被生长特征的变化规律。然而，目前相关的研究较为匮乏，亟待进一步探究。 第二节 气候变化对农田植被的影响 一、气候变化对农田植被物候特征的影响 全球变暖已成为国内外专家学者公认的事实。 IPCC第五次评估报告指出，过去的 30年可能是北半球近 1400年以来*暖的 30年[9，64]。受气候变化的影响，农田植被生长所处环境的光照、热量、水分等条件均会发生变化，进而导致农田植被物候随之改变 [65]，从而驱动作物生产力发生显著的变化。在过去的 50年内，大多数农田植被的物候特征发生了显著的改变。气候变化及人为管理措施 [66，67]是导致农田植被物候改变的两大主要因素。其中气候变化以气温升高为主要驱动因子[68]。不同国家不同农田植被种类表现出相对一致的物候期变化规律为种植期的提前及灌浆期的延长 [69-71]。如美国、欧洲粮食作物（玉米、大豆、小麦）的种植期约提前了 10～18天[69，70，72，73]，在中国这种现象也显著存在 [71，74]。提前种植有利于延长作物的生长及生育期，并提高叶面积指数。这些现象均有助于农田植被延长光合作用时间，促使其累积更多的有机物，从而使作物生产力提高 [69]。故农田植被物候在气候变化的驱动下总体上表现出“趋利避害”的特征。但气温的升高仍会通过加快农作物生长发育速度、加速有效积温积累等方式导致传统作物品种的不同生育阶段持续时间缩短，进而增大作物减产的风险 [68，71，75]。此外，全球变暖导致的生长季延长同样为生育期的延长提供了可能性。人类通过变更作物品种能够缓解气候暖化造成的生育期缩短。如选择生育期较长及耐热品种、加强田间管理措施（如施肥、灌溉、优化农田布局等），以充分利用气候变化带来的有利农业气候资源，进而延长农作物的生育期，提高作物产量，*终化不利为有利[76，77]。 二、气候变化对农作物产量的影响 气候变化对农作物的综合影响*终体现在作物产量上 [78]，故明晰作物生产力对气候变化的响应规律是解决未来粮食安全问题的关键。研究表明，全球农作物产量变化的三分之一归因于气候变化，这意味着在研究未来农作物产量变化时不能忽略气候波动所带来的影响 [79，80]。目前，有关农作物产量对气候变化响应的研究一直在学界受到广泛的关注 [1]。然而，关于气候变化对作物产量影响的正负性问题仍具有较大不确定性。国内外的部分研究表明，在气候变化的影响下，作物单产呈现明显的上升趋势。如欧洲 [81-86]、印度 [87]、巴基斯坦 [88]、阿根廷的潘帕斯地区[89]都发现作物单产将会增加。此外，国内也有部分研究表明在全球变暖的背景下，中国大部分地区 [90]、华北平原 [91，92]、西北地区 [93]、东北地区 [94]以及山东省部分区域[95]，作物单产总体呈现增加的态势。 然而，也有部分研究结果表明，未来作物单产对气候变化呈现明显的负反馈。一项全球尺度的研究表明，气候变化总体上降低了作物产量 [96]。此外，在部分区域性研究中，如在欧洲 [97-99]、澳大利亚东南部 [100]、美国科罗拉多州 [101]等地也呈现了作物单产对气候变化的负反馈效应。在国内，也有部分研究表明在未来气候情景的驱动下，气温的升高将导致作物生长速率加快、生育期缩短，进而导致不同种类的水稻、小麦、玉米减产风险增大，但灌溉等人为措施在一定程度上能够降低减产的发生概率 [102-105]。 由于相关的研究数量十分庞大，一些学者开始尝试使用荟萃分析来对已有的研究结果进行整合。 Challinor等[106]在近期的一项荟萃分析研究中表明，如果不采取适应措施，预计在 2℃局部升温时，温带和热带地区小麦、水稻和玉米的总产量将下降。但考虑作物水平对气候变化的适应性后，模拟的作物产量平均提高了 7%～15%。此外，未来热带地区产量下降的共识要强于温带地区，温带作物即使经历适度的升温，也有可能不会发生地方单产降低的情况。而另一项来自 Wilcox和 Makowski[107]的荟萃分析结果表明，由于气温、降水和 CO2浓度对作物产量具有不同的影响，未来总体气候变化是否会导致作物单产增加或减少具有极